DE1543919C3

DE1543919C3 - Verfahren zur Racemisierung von optisch aktiven Aminosäuren

Info

Publication number: DE1543919C3
Application number: DE1543919A
Authority: DE
Inventors: Hiroo Ito; Takahisa Ogasawara; Shigenari Kasugai Suzuki; Hidemaro Tatemichi
Original assignee: Toagosei Co Ltd
Current assignee: Toagosei Co Ltd
Priority date: 1965-02-19
Filing date: 1966-02-18
Publication date: 1973-11-08
Also published as: DE1543919A1; DE1543919B2; US3458568A; NL6602194A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Racemisierung von optisch aktiven Aminosäuren aus einer optisch aktiven Aminosäure und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von DL-Ghitaminsäure aus D-Glutaminsäure.

Im allgemeinen werden optisch aktive Aminosäuren dadurch gewonnen, daß die optisch inaktiven Aminosäuren oder deren Derivate, die durch chemische Syntheseverfahren hergestellt wurden, physikalisch oder biochemisch gespalten werden. Unter den optisch aktiven Aminosäuren sind nur die L-Isomeren als Medikamente und Gewürze von Nutzen. Daher wird gewöhnlich so verfahren, daß das L-Isomere von der DL-Aminosäure isoliert wird, wobei man das weniger nützliche D-Isomere als Nebenprodukt erhält. Unter diesen Umständen ist es für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens von großem Vorteil, wenn die als Nebenprodukt gewonnene D-Aminosäure einer Racemisierung unterzogen werden kann, um die racemische Modifikation herzustellen, aus der sich eine weitere Menge des L-Isomeren gewinnen läßt.

Somit ist es üblich, daß eine durch ein chemisches Syntheseverfahren hergestellte optisch inaktive Aminosäure durch Wiederholung der optischen Spaltung und der anschließenden Racemisierungsvorgänge vollständig oder im wesentlichen vollständig in das L-Isomere umgewandelt wird.

Bei dem Verfahren zur Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure wird z. B. die optisch aktive Aminosäure zusammen mit wäßrigem konzentriertem Alkali oder konzentrierter Säure während einer langen Zeitdauer erwärmt. Es ist jedoch im allgemeinen schwierig, die ganze freie Aminosäure schnell in die racemische Modifikation umzuwandeln, ohne daß bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck gearbeitet wird. Unter diesen drastischen Racemisierungsbedingungen tritt bei manchen Aminosäuren eine teilweise oder vollständige Zersetzung ein. Unter diesen Umständen wurde z. B. ein Verfahren entwickelt, bei dem eine optisch aktive Aminosäure zunächst in ihr geeignetes Derivat umgewandelt und dann dieses Derivat der Racemisierung mit Alkali unterzogen wird. Ein weiteres Verfahren besteht darin, daß die Aminosäure zunächst zusammen mit Essigsäureanhydrid oder Keten usw. erwärmt wird, um eine racemische Acetylaminosäure herzustellen, die dann auf irgendeine Weise optisch gespalten und hydrolysiert wird. Diese bekannten Verfahren weisen jedoch schwere Nachteile auf, die darin bestehen, daß der Racemisierungsgrad niedrig und die Isolierung und Gewinnung der racemischen Aminosäure von bzw. aus dem Reaktionsgemisch sehr schwierig ist. Folglich lassen sich alle obenerwähnten bekannten Racemisierungsverfahren nicht in zufriedenstellender Weise in der Industrie anwenden.

Andererseits findet auch ein anderes Verfahren Anwendung, in dem die Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure unter Verwendung der Enzymracemase unter gemäßigten Bedingungen durchge- _/.

führt wird. Bei dieser enzymatischen Racemisierung ^ spielt Pyridoxal, bei dem es sich um ein Coenzym für diese Racemase handelt, eine Hauptrolle. Es ist bekannt, daß eine optisch aktive Aminosäure der Racemisierung bei einem pH-Wert von wenigstens 10 in der Gegenwart von Pyridoxal oder einer Verbindung unterzogen werden kann, die eine ähnliche chemische Struktur wie Pyridoxal aufweist, wie z. B. Salicylaldehyd, 4-Nitrosalicylaldehyd, o-Aminobenzaldehyd u. dgl., und zwar bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Metallions, das eine Chelatverbindung mit dem Pyridoxal oder seinen verwendeten Verbindungen zu bilden vermag (vgl. D. E. M e t ζ 1 e r u. a. »J. Am. Chem. Soc, 76, 648 (1954), und die japanische Patentschrift 295 110).

Diese Racemisierungskatalysatoren üben ihre maximale Aktivität dann aus, wenn der pH-Wert in dem wäßrigen Reaktionsmedium, in dem die Racemisierung stattfindet, innerhalb eines Bereichs von etwa 10 bis 11 liegt. Die Racemisierung schreitet jedoch selbst in der Gegenwart dieser Katalysatoren nicht wesentlich voran, wenn der pH-Wert niedriger als 10 ist. Somit ist es bei der Verwendung der obenerwähnten Katalysatoren bei der Racemisierung einer Aminosäure

erforderlich, daß eine große Alkalimcnge in das Reaktionsmedium eingeführt wird, um den pH-Wert bei 10 bis 11 zuhalten, und daß ferner eine große Säuremenge verwendet wird, um das Reaktionsgemisch nach der Durchführung der Racemisierung zu neutralisieren. Dementsprechend entsteht bei der industriellen Anwendung der bekannten Racemisierungsverfahren das Problem eines großen Alkali- und Säureverbrauchs.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich eine hohe Ausbeute einer optisch inaktiven Aminosäure bei der Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure unter Vermeidung der obenerwähnten Nachteile erzielen läßt. Die Erfindung schafft ferner ein neues Katalysatorsystem für die Racemisierung von optisch aktiven Aminosäuren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure kann weiterhin innerhalb eines derartigen pH-Bereichs gearbeitet werden, wie er durch die bekannten Verfahren nicht nahegelegt wird. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren für die Racemisierung von optisch aktiver Glutaminsäure.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den bekannten Verfahren einige bedeutende Vorteile auf, die darin bestehen, daß die Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure mit einem minimalen Verlust an optisch aktiver Aminosäure verlaufen kann und daß das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Katalysatorsystem überraschenderweise seine hohe katalytische Aktivität selbst in einem niedrigeren pH-Bereich ausüben kann, als er für den Pyridoxalkatalysator erforderlich ist, so daß sich durch die vorliegende Erfindung die Alkali- und Säuremengen, die im wesentlichen beim Racemisierungsvorgang und bei der Nachbehandlung der Produktmischung verbraucht werden, auf ein Mindestmaß verringern lassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer optisch inaktiven Aminosäure aus einer optisch aktiven Aminosäure besteht darin, daß die wäßrige Lösung einer optisch aktiven Aminosäure oder deren wasserlösliches Salz oder Derivat einer Racemisierung unterzogen wird, indem die Aminosäure oder ihr wasserlösliches Salz oder Derivat mit einer α-Ketocarbonsäure oder deren wasserlöslichem Salz oder Derivat und einem Metallion erwärmt und das erhaltene Racemat nach an sich bekannten Methoden aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird.

Gemäß einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine eine optisch aktive Aminosäure und eine a-Ketocarbonsäure in einer Menge von 1 bis 40 Molprozent auf der Grundlage der Aminosäuremenge enthaltende wäßrige Lösung in der Gegenwart eines Metallions erwärmt und dann die resultierende optisch inaktive Aminosäure von der Reaktionslösung isoliert und aus dieser gewonnen.

In der folgenden Beschreibung sind in den Begriffen »Aminosäure« und »a-Ketocarbonsäure« deren freie Säuren, wasserlöslichen Salze und wasserlöslichen Derivate eingeschlossen.

Die als Katalysatorbestandteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbare a-Ketocarbonsäure umfaßt Brenztraubensäure, Phenylbrenztraubensäure, ' Dimethylbrenztraubensäure, Trimethylbrenztraubensäure, a-Ketoglutarsäure, a-Ketobuttersäure, 2-Ketovaleriansäure, 2-Ketohexanoinsäure, 3-Methyl-2-ketovaleriansäure, Benzoylameisensäure, 2-Ketocaprylsäure, 2-Ketocaprinsäure, 2-Ketocapronsäure, 2-Ketopelargonsäure und deren Alkalimetallsalze und Ammoniumsalze und wasserlöslichen Derivate, wie z. B. Brenztraubensäureester und -amide u.dgl. Jedoch sollten diese a-Ketocarbonsäuren oder deren Salze oder Derivate in Wasser löslich sein.

Wenn eine optisch aktive α-Aminosäure der erfindungsgemäßen Racemisierungsreaktion unterzogen wird, kann ein Teil der verwendeten Aminosäure zwangläufig in die entsprechende a-Ketocarbonsäure umgewandelt werden, und zwar als Folge der begleitenden Transaminierung, die im geringen Maße zwischen der Aminosäure und der vorhandenen α-Ketocarbonsäure stattfindet, und kann auch gleichzeitig ein Teil der bei dem Verfahren als Katalysatorbestandteil verwendeten α-Ketocarbonsäure in die entsprechende α-Aminosäure umgewandelt werden/Wenn daher eine optisch aktive α-Aminosäure der erfindungsgemäßen Racemisierung unterzogen wird, ist es wünschenswert, als Katalysatorbestandteil eine derartige «-Ketocarbonsäure zu verwenden, daß die Aminogruppe der zu racemisierenden α-Aminosäure durch die Ketogruppe ersetzt wird. Wenn z. B. optisch aktive Glutaminsäure, Alanin, Valin, Phenylalanin und Isoleucin der Racemisierung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden, ist es wünschenswert, a-Ketoglutarsäure, Brenztraubensäure, 2 - Ketoisovaleriansäure, Phenylbrenztraubensäure bzw. 3-Methyl-2-ketovaleriansäure als Katalysatorbestandteil auszuwählen.

Bei der Verwendung der oben angegebenen Kombinationen der zu racemisierenden α-Aminosäure und der als Katalysatorbestandteil eingesetzten a-Ketocarbonsäure handelt es sich bei der Aminosäure, die als Folge der begleitenden Transaminierung als Nebenprodukt gebildet wird, um die gleiche Aminosäure, wie sie in dem Verfahren zu racemisieren ist, so daß der Verlust an Aminosäure sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf ein Mindestmaß verringern läßt. Die α-Ketocarbonsäure ist ein Bestandteil des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysators und bildet zusammen mit dem erwähnten Metallion das Katalysatorsystem. Die Geschwindigkeit der Racemisierung erhöht sich mit zunehmender Menge der zugesetzten α-Ketocarbonsäure. Es wurde festgestellt, daß die Racemisierungsgeschwindigkeit zu niedrig ist, wenn die α-Ketocarbonsäure nur in einer Menge bis zu 1 Molprozent auf der Grundlage der Menge der zu racemisierenden optisch aktiven Aminosäure vorliegt. In der Praxis ist es daher vorzuziehen, die α-Ketocarbonsäure in einem Mengenverhältnis von mehr als etwa Molprozent auf der Grundlage der vorliegenden Menge an optisch aktiver Aminosäure zuzusetzen.

Wenn die als Katalysatorbestandteil verwendete α-Ketocarbonsäure nicht der zu racemisierenden Aminosäure entspricht, ist es vorzuziehen, die a-Ketocarbonsäure in einem Mengenverhältnis von 1 bis 40 Molprozent auf der Grundlage der vorliegenden Menge an optisch aktiver Aminosäure zu verwenden. Dies geschieht deswegen, weil sowohl die Racemisierungsreaktion als auch die Transaminierungsreaktion mit zunehmender Menge der zugesetzten a-Keto- - carbonsäure gesteigert wird und weil die Transaminierungsreaktion für den erfindungsgemäßen Zweck in ungeeignet vorherrschendem Maße stattfindet,

wenn das Mengenverhältnis der zugesetzten ((-Ketocarbonsäure höher als 40 Molprozent auf der Grundlage der vorliegenden Menge an optisch aktiver Aminosäure ist.

Das Metallion, das als zweiter Katalysatorbestandteil zusammen mit der obenerwähnten (/-Ketocarbonsäure dem Reaktionssystem zuzusetzen ist, umfaßt Aluminium-, Kupfer-, Chrom-, Wismut- und Eisen(III)-ionen. Diese Metallionen können in Form eines wasserlöslichen Salzes in das Reaktionssystem gegeben werden, und dieses Salz kann im allgemeinen in einer Menge von 10 bis 100 Molprozent auf der Grundlage der in dem Reaktionssystem vorliegenden Menge an a-Ketocarbonsäure zugegeben werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das oben beschriebene Katalysatorsystem einer eine zu racemisierende optisch aktive Aminosäure enthaltenden wäßrigen Lösung zugesetzt, und diese Lösung wird dann während einer Zeitdauer von 10 bis 400 Minuten, vorzugsweise 60 bis 120 Minuten, bei einer Temperatur von 50 bis 110° C, vorzugsweise 80 bis 90° C, erwärmt. Wenn die angewendete Reaktionstemperatur viel niedriger ist, ist die Geschwindigkeit der Racemisierungsreaktion für den praktischen Betrieb zu niedrig. Wenn andererseits die Reaktionstemperatur viel höher ist, neigt ein Teil der Aminosäure dann auf Grund der Dehydratisierung des Moleküls zur Bildung eines Ringschlusses und zeigt ferner die a-Ketocarbonsäure eine Neigung zur Zersetzung. Daher ist es praktisch, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Reaktionstemperatur in einem Bereich zwischen 50 und HO⁰C anzuwenden.

Es wurde festgestellt, daß das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Katalysatorsystem seine maximale Aktivität dann ausübt, wenn der pH-Wert in dem Reaktionsmedium innerhalb eines Bereichs zwischen 3 und 10 und insbesondere zwischen 5 und 6 liegt. Um den pH-Wert des Reaktionsmediums einzustellen, kann ein kontrollierte Menge Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd, Ammoniumhydroxyd oder Ammoniak in das Reaktionsmedium gegeben werden. Die Zugabe einer organischen Base zu dem Reaktionsmedium ist jedoch ungeeignet, weil dadurch die gewünschte Racemisierungsreaktion behindert würde.

Die Aktivität des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatorsystems läßt sich noch dadurch steigern, daß eine Menge eines organischen Lösungsmittels, wie z. B. wasserlöslicher Alkohol, in das Reaktionsmedium gegeben wird. Das für diesen Zweck verwendbare organische Lösungsmittel umfaßt wasserlösliche gesättigte Alkohole, wie z. B. Methanol, Äthanol, Propanol und Äthylenglykol, sowie Formamid. Die Zugabe von höheren Alkoholen ist jedoch nicht geeignet, weil dadurch eine Trennung des Reaktionsmediums in zwei Phasen und/oder eine Ausfällung der Aminosäure bewirkt würde.

In dem Fall, wo das Reaktionsmedium nur aus Wasser besteht, wurde festgestellt, daß die Aktivität des in dem Reaktionsmedium verwendeten Katalysatorsystems bei Cupri-, Ferri- und Aluminium(III)-ionen, die in dem Katalysatorsystem enthalten sind, der Reihe nach allmählich zunimmt. Wenn dagegen das Reaktionsmedium aus einer Mischung von Wasser und Methanol oder einer Mischung von Wasser und Äthanol besteht, nimmt die Aktivität des verwendeten Katalysatorsystems bei Cupri-, Wismut(III)-, Aluminium(IIl)- und Ferriionen der Reihe nach allmählich zu.

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren insofern vorteilhaft, als eine optisch aktive Aminosäure leicht und mit wirtschaftlichem Nutzen in die racemische Modifikation umgewandelt werden kann, weil bei dem Verfahren in einem niedrigeren pH-Bereich gearbeitet werden kann und weil die Arbeitsbedingungen nicht extrem

ίο sind, so daß die Auswahl des Materials für den Apparat zur Durchführung des Verfahrens leicht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil insbesondere bei der Racemisierung von optisch aktivem Mononatriumglutamat in die racemische Modifikation anwenden. So weist dieses Mononatriumsalz in der Form der racemischen Modifikation eine geringere Löslichkeit in Wasser als das Salz in der optisch aktiven Form auf, so daß das racemische Mononatriumglutamat sich vorzugsweise aus einer sowohl das optisch aktive Salz als auch die racemische Modifikation enthaltenden gesättigten oder übersättigten Lösung ausscheiden kann. Unter diesen Umständen kann die racemische Modifikation vorzugsweise kristallisieren, sich auf dem Boden der Mutterlauge absetzen und von der Mutterlauge leicht isoliert werden.

Dagegen weist Glutaminsäure oder Ammoniumglutamat in der Form der racemischen Modifikation eine höhere Löslichkeit in Wasser als die optisch aktive Form auf. Wenn daher das erfindungsgemäße Verfahren bei der Racemisierung von Glutaminsäure oder Ammoniumglutamat angewendet wird, muß der pH-Wert des Reaktionsmediums zwecks Isolierung der resultierenden racemischen Modifikation wieder auf 3,2 eingestellt werden. Dieses Wiedereinstellen des pH-Wertes stellt im Vergleich zu dem Fall, wo das erfindungsgemäße Verfahren bei der Racemisierung von Mononatriumglutamat angewendet wird, einen zusätzlichen und beschwerlichen Verfahrensschritt dar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Racemisierungsreaktion, wie oben beschrieben, in einem wäßrigen Reaktionsmedium durchgeführt. Die Isolierung oder Gewinnung der Aminosäure in der Form der racemischen Modifikation aus einem wäßrigen Reaktionsgemisch kann dadurch erfolgen, daß eine wäßrige Losung der resultierenden optisch inaktiven Aminosäure aus dem Reaktionsgemisch gewonnen wird oder Kristalle der resultierenden optisch inaktiven Aminosäure von dem Reaktionsgemisch isoliert werden. Die Isolierung der resultierenden optisch inaktiven Aminosäure in der Form von Kristallen kann entweder durch Einstellen des pH-Wertes des Reaktionsgemisches auf den isoelektrischen Punkt der Aminosäure, so daß sich diese absetzt, oder durch Zugeben eines wasserlöslichen Alkohols zu dem Reaktionsgemisch und somit Reduzieren der Löslichkeit der Aminosäure zwecks Ablagerung derselben oder durch Konzentrieren des Reaktionsgemisches durch Verdampfung zwecks Ablagerung der Aminosäure oder durch eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Maßnahmen erfolgen. Außerdem kann die Isolierung der racemischen Modifikation durch Behandlung des Reaktionsgemisches mit einem Ionenaustauschharz durchgeführt werden, wobei die Aminosäure in das Harz adsorbiert und aus dem Harz mit Alkali oder Säure eluiert wird. Die Adsorption einer sauren Aminosäure, einer neutralen Aminosäure und einer basischen Aminosäure kann durch Be-

handeln des Reaktionsgemisches mit einem stark basischen Anionenaustauschharz oder stark sauren Kationenaustauschharz, mit einem stark sauren Kationenaustauschharz oder stark basischen Anionenaustauschharz bzw. mit einem schwach oder stark sauren Kationenaustauschharz erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Racemisierung von vielen optisch aktiven Aminosäuren, z. B. von optisch aktivem Alanin, Glutaminsäure, Lysin, Asparaginsäure, Methionin, Phenyl- ίο alanin, Valin, Arginin u.dgl.,durchzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine D-Aminosäure, die für die Herstellung von Medikamenten und Gewürzen weniger wertvoll ist, in die entsprechende nützliche L-Aminosäure umwandeln.

In der Zeichnung zeigt die einzige Figur ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen dem erzielten Racemisierungsgrad und dem pH-Wert des Reaktionsmediums darstellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise, wie im Beispiel 7 beschrieben, durchgeführt wird.

In den Beispielen wurde jedes Isomere der Aminosäuren unter Anwendung des Infrarot-Absorptionsspektrums, der Warburgschen Methode und eines Gesamtaminsäureanalysators quantitativ analysiert.

Der angegebene Racemisierungsgrad (%) wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

. Razemisierungsgrad =

A⁰ - B⁰

100,

wobei A° den Drehungswinkel einer Lösung bedeutet, die durch Verdünnen einer wäßrigen Lösung einer zu racemisierenden optisch aktiven Aminosäure mit stellt wurde, und ß° den Drehungswinkel einer Lösung bedeutet, die durch Verdünnen der racemisierten Lösung mit 4iV-Chlorwasserstoffsäure auf das Fünf-

4iV-Chlorwasserstoffsäure auf das Fünffache des ur-,25 fache des ursprünglichen Volumens der Lösung hersprünglichen Volumens der wäßrigen Lösung herge- gestellt wurde.

Beispiel 1

1000 g einer wäßrigen Lösung, die 370 g (1,98 Mol) Mononatrium - D - glutamatmonohydrat, 29,2 g (0,2MoI) α-Ketoglutarsäure und 24,1g (0,1 Mol) AlCl₃ ■ 6H₂O enthielt und durch den Zusatz von Natriumhydroxyd auf den pH-Wert 6,0 eingestellt worden war, wurden 60 Minuten bei 8O⁰C erwärmt. Nach dem Kühlen wurde der Drehungswinkel der Lösung bestimmt. Die Berechnung ergab, daß der Racemisierungsgrad 78% betrug. Dieser Lösung-wurden 208 g Mononatrium-D-glutamatmonohydrat zugesetzt. Die Lösung wurde dann etwa 10 Minuten unter Verrühren auf einer Temperatur von 80° C gehalten, danach langsam auf 30° C abgekühlt und filtriert. Die so gewonnenen Kristalle wurden einmal mit 100 g Wasser gewaschen und dann getrocknet. Die Waschflüssigkeit wurde mit dem Filtrat kombiniert. Bei der Analyse der resultierenden Kristalle des Mononatrium-DL-glutamatdihydrats und des Filtrats wurden die aus der Tabelle 1 ersichtlichen Ergebnisse erzielt.

Tabelle 1	Bestandteile in den analysierten Proben	Gehalt (%)	im Filtrat (mit einem Ge
		in Kristallen (mit einem Ge	wicht von 938 g)
Mononatrium-DL-glut-	wicht von 300 g)
amatdihydrat		3,8 (als
	96,9	wasserfreie
		Kristalle)
Mononatrium-D-glut-
amatmonohydrat		25,5 (als
	2,3	wasserfreie
		Kristalle)
α-Ketoglutarsäure		2,38
Aluminium	0,04	0,26
0,03

Das analysierte Filtrat wies einen pH-Wert von 5,8 auf.

Beispiel 2

Eine 14,6 g (0,1 Mol) α-Ketoglutarsäure und 24,1 g (0,1 Mol) AICI3 ·6Η_?Ο, gelöst in 519 g Wasser, enthaltende wäßrige Lösung, die durch den Zusatz von Natriumhydroxyd auf den pH-Wert 6,0 eingestellt worden war, wurde mit 751 g Mononatrium-D-glutamatmonohydrat versetzt, um eine Suspension herzustellen. Diese Suspension wurde durch Erwärmen bei 8O⁰C unter Verrühren der Racemisierungsreaktion unterzogen.
Im Anfangsstadium der Reaktion verblieb das Mononatrium-D-glutamatmonohydrat in Form von Kristallen auf dem Boden der Suspensionsmasse. Es wurde beobachtet, daß sich das D-Glutamat bei fortschreitender Racemisierungsreaktion a-uflöste und daß die resultierende racemische Modifikation sich in der Form von körnigen Mononatrium-DL-glutarnatdihydrat-Kristallen absetzte. Die Kristalle des D-Isomeren waren in ungefähr den ersten 30 Minuten der Reaktionszeit nahezu verschwunden, jedoch wurde die Reaktion weiter bei 80°C fortgesetzt. Nach einer Reaktionszeit von 80 Minuten, d. h. als die Konzentration des Mononatrium-D-glutamats in der Lösung 27% betrug, wurde die Reaktion beendet. Das Reaktionsgemisch wurde bis auf 30⁰C heruntergekühlt und filtriert, und man erhielt die Rohkristalle.

Diese Kristalle wurden einmal mit 157 g einer 16%igen wäßrigen Mononatrium-DL-glutamatlösung gewaschen und dann getrocknet. Die Waschflüssigkeit wurde mit dem Filtrat, nämlich der Mutterlauge, von der die Kristalle getrennt worden waren, kombiniert.

Die Mutterlauge wurde dann wieder in ähnlicher Weise .wie in dem ersten Racemisierungsverfahren der Racemisierungsreaktion unterzogen. Bei der Analyse der resultierenden Kristalle und der zum zweiten Mal

309 515/522

racemisierten Mutterlauge wurden die nachstehend aufgeführten Ergebnisse erzielt.

Tabelle 2

	Gehalt (%)	in Mutterlauge
Bestandteile in den	in Kristallen	(mit einem Ge
analysierten Proben	(mit einem Ge	wicht von 820 g)
	wicht von 534 g)
Mononatrium-DL-glut-		13,6 (als
amatdihydrat	93,1	wasserfreie
		Kristalle)

Mononatrium-D-glut-		20,3 (als
amatmonohydrat....	5,4	wasserfreie
		Kristalle)
		1,03
a-Ketoglutarsäure	0,045	0,30
Aluminium	0,013

Beispiel 4

wäßrigen L-Glutaminsäurelösung betrug. Zu 10 ml der so hergestellten wäßrigen L-Glutaminsäurelösung wurden 73 mg (5 · 10~⁴ Mol) a-Ketoglutarsäure zugegeben, und das Gemisch wurde 2 Stunden bei 100⁰C erwärmt. Die Bestimmung des Drehungswinkels ergab die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Racemisierungsgrade.

	pH-Wert	Kon7en-	Tabelle	3	AlCl₃ ·	FeCl₃ ·
I"	der Glut	tration der		6H₂O	6H₂O
	aminsäure	Glutamin		0	0
lösung 15	säure		13,9	2,1
1	(Mol/l)	Razemisierungsgrad %	90,2	40,9
3,2	1	(zugesetztes Metallsalz)	70,0	19,6
5	0,25		8,3	5,1
7	0,5	CuCl₂ ·
10	1	2H₂O
	1	0
	20,1
65,5
18,9
3,2

Beispiel 3

Eine wäßrige Lösung (20 ecm), die 1 Mol L-Glutaminsäure und 9 g AlCl₃ · 6H₂O pro Liter der Lösung enthielt und durch den Zusatz von Natriumhydroxyd auf den pH-Wert 7,0 eingestellt worden war, wurde mit Brenztraubensäure in einer Menge von 5 Molprozent auf der Grundlage der in der Lösung vorliegenden Menge an L-Glutaminsäure versetzt. Die Lösung wurde in einem verschlossenen Glasrohr 2 Stunden bei 100° C erwärmt, und dann wurde ein Teil des Reaktionsgemisches als Analyseprobe entnommen. Die Bestimmung des Drehungswinkels der verdünnten Probe ergab, daß der Racemisierungsgrad 92% betrug. Es wurden 10 ml des obigen Reaktionsgemisches entnommen und durch den Zusatz von Chlorwasserstoffsäure auf den pH-Wert 3,2 eingestellt, worauf man 30,8 g Kristalle erhielt, die sich bei der Analyse als DL-Glutaminsäuremonohydrat-Kristalle herausstellten.

45

Das Verfahren im Beispiel 3 wurde wiederholt, wobei jedoch FeCl₃-OH₂O bzw. CuCl₂-2H₂O an Stelle von AlCl₃ -6H₂O verwendet wurden. Der erzielte Racemisierungsgrad betrug bei FeCl₃-OH₂O 71% und bei CaCl₂ · 2H₂O 49%.

Beispiel 5

Das Verfahren im Beispiel 3 wurde wiederholt, wobei jedoch Methylpyruvat an Stelle der Brenztraubensäure verwendet wurde. Der erzielte Racemisierungsgrad betrug 26%.

Beispiel 6

Es wurde eine wäßrige L-Glutaminsäurelösung hergestellt, die durch den Zusatz von Chlorwasserstoffsäure oder Natriumhydroxyd auf die pH-Werte 1, 3,2, 5, 7 bzw. 10 eingestellt wurde. Jeder dieser Lösungen wurde eines der nachstehend aufgeführten Metallsalze in einer derartigen Menge zugesetzt, daß die Konzentration des Metallsalzes 9 g pro Liter der

Beispiel 7

Aus lg/1 FeCl₃-OH₂O oder AlCl₃-6H₂O und 0,05 Mol/l Brenztraubensäure sowie 1 Mol/l L-Glutaminsäure mit pinem auf 1 eingestellten pH-Wert bzw. 0,25 Mol/l L-Glutaminsäure mit einem auf 3 eingestellten pH-Wert bzw. 0,5 Mol/l L-Glutaminsäure mit einem auf 5 eingestellten pH-Wert bzw. 1 Mol/l L-Glutaminsäure mit einem auf 7 eingestellten pH-Wert bzw. 1 Mol/l L-Glutaminsäure mit einem auf 10 eingestellten pH-Wert wurden entsprechende wäßrige Lösungen hergestellt. Die Einstellung des pH-Wertes auf einen Wert zwischen 5 und 10 erfolgte bei den einzelnen Lösungen durch Zugabe von Natriumhydroxyd oder Ammoniak. Von jeder Lösung wurden 10 ml in einem verschlossenen Glasrohr 2 Stunden lang auf 100° C erhitzt. Nach Beendigung der Reaktion wurde der Grad der Racemisierung durch Bestimmung des Drehungswinkels der Lösungen errechnet. Die Ergebnisse sind in das Schaubild der Zeichnung eingetragen. Wie daraus ersichtlich ist, erfolgte die Racemisierungsreaktion hauptsächlich in einem pH-Bereich zwischen 3 und 11, wobei sie ihren Höhepunkt in dem pH-Bereich zwischen 4 und 8 erreichte.

Beispiel 8

Aus 0,05 Mol/l AlCl₃ · 6H₂O und 1 Mol/l L-Lysin, 1 Mol/l L-Asparaginsäure, 1 Mol/l L-Alanin und 0,5 Mol/l L-Methionin wurden jeweils wäßrige Lösungen hergestellt. Der pH-Wert jeder Lösung wurde auf 5,5 eingestellt. Jeweils 70 ml jeder Lösung wurden mit 10 bzw. 20 Molprozent, in bezug auf die in der Lösung vorhandene Menge Aminosäure, Brenztraubensäure bzw. α-Ketoglutarsäure versetzt und dann in einem verschlossenen Glasrohr 6 Stunden auf 100° C erhitzt. Danach wurde der Drehungswinkel der Lösungen bestimmt, um den Racemisierungsgrad der obenerwähnten Aminosäuren auszurechnen. Anschließend erfolgte die Isolierung jeder der racemisierten Aminosäuren von dem wäßrigen Reaktionsgemisch. Die erzielten Ergebnisse sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich.

Tabelle 4

	Verwendete Verbin	Mol	Razemi- sierungs-	Ausbeute
	dung von opt. akt.	prozent der hinzu	grad	an razerai-
Versuch	Aminosäure und	gefügten	der opt.	scher
Nr.	u-Ketocarbonsäure	a-Keto-	akt.	Amino
		carbon-	Amino	säure (%)
		säure-	säure (%)
	L-Alanin und	menge	55,4	45,1
1	a-Ketoglutar-	10
	säure
	L-Alanin und		67,5	67,1
2	a-Ketoglutar-	10
	säure
	L-Asparagin-		62,2	44,3
3	säure und	10
	a-Ketoglutar-
	säure
	L-Asparagin-		45,2	38,7
4	säure und	10
	Brenztrauben
	säure

	15	7	20	Verwendete Verbin	12	Mol	Razemi- sierungs-	Ausbeute
			dung von opt. akt.	prozent der hinzu	grad	an razemi-
			Aminosäure und	gefügten	der opt.	scher
Versuch	8		a-Ketocarbonsäure	a-Keto-	akt.	Amino
5 Nr.		carbon-	Amino	säure (%)
		säure-	säure (%)
	L-Lysin und	menge	7,5	—
	a-Ketoglutar-	10
■ o 5	säure
	L-Lysin und		17,2	—
	Brenztrauben	10
6	säure
	L-Methionin		61,1	29,8
und a-Keto-	20
glutarsäure
L-Methionin		65,6	47,3
und Brenz	20
traubensäure

Die in der obigen Tabelle angegebene »Ausbeute an racemischer Aminosäure in Proze'nt« wurde nach der folgenden Gleichung errechnet:

Ausbeute an razemischer Aminosäure = (Nettogewicht der in Kristallform gewonnenen razemischen Aminosäune)

(Ausgangsmenge an optisch aktiver Aminosäure)

In den Versuchen 1 und 2 erfolgte die Isolierung der racemisierten oder racemischen Aminosäuren, indem bei 30 ml des das Reaktionsprodukt bildenden Gemisches der pH-Wert auf 6 eingestellt und diese Menge dann unter vermindertem Druck auf 8 ml konzentriert wurde, worauf 20 ml Methanol zu dem Rückstand zugegeben und die resultierenden Kristalle anschließend ausfiltriert wurden.

In den Versuchen 3 und 4 erfolgte die Isolierung der racemischen Aminosäuren, indem der pH-Wert von 30 ml des Reaktionsprodukts auf 2,8 eingestellt und diese Menge dann in der gleichen Weise wie in dem Versuch 1 behandelt wurde.

In den Versuchen 7 und 8 erfolgte die Isolierung der racemischen Aminosäuren, indem der pH-Wert von 30 ml des Reaktionsprodukts auf 5,7 eingestellt und diese Menge dann in der gleichen Weise wie im Versuch 1 behandelt wurde.

Tabelle 5 Beispiel 9

Aus 1,0 Mol/l L-Glutaminsäure, 5 g/l AlCl₃ · 6H₂O und verschiedenen Mengenanteilen verschiedener organischer Lösungsmittel wurden wäßrige Lösungen hergestellt, deren pH-Wert durch Zugabe von Natriumhydroxyd auf 7,0 eingestellt wurde und die mit 5 Molprozent (bezogen auf die in der Lösung vorhandene Menge an L-Glutaminsäure) Brenztraubensäure versetzt wurden. Jede dieser Lösungen wurde einer Racemisierungsreaktion bei 8O⁰C unterzogen, und der Grad der Racemisierung wurde 2 Stunden und 4 Stunden nach Beginn der Reaktion festgestellt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

55 60

Zusammensetzung des Reaktionsmediums (in Volumina)	0 Teile 100 Teile	Grad Razemisie nai 2Std.	49
	20 Teile 80 Teile	der rung (%) -h 4Std.	94
Methanol + Wasser	40 Teile 60 Teile	vom Beginn der Reaktion an	96
Methanol + Wasser	20 Teile 80 Teile	28	96
Methanol + Wasser	40 Teile 60 Teile	82	91
Äthanol + Wasser	40 Teile 60 Teile	87	76
Propanol + Wasser	40 Teile 60 Teile	76	93
Äthylenglykol + Wasser	70
Formamid + Wasser	50
	7,3

Beispiel 10

Es wurden wäßrige Lösungen aus 1 Mol/l L-Glutaminsäure und 9 g/l Metallsalz (vgl. Tabelle 6) hergestellt, die durch Zugabe von Natriumhydroxyd auf den pH-Wert 7 eingestellt und dann mit 5 Molprozent, bezogen auf die Menge der Glutaminsäure, Brenztraubensäure versetzt wurden. Von jeder dieser Lösungen

wurden 10 ml in einem dicht verschlossenen Glasrohr jeweils 2 Stunden auf 70 und 50⁰C erwärmt. Anschließend wurde der Drehungswinkel der Lösungen bestimmt, um den Grad der Racemisierung auszurechnen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle 6

	Metallsalz	Grad der	Razemisierung	Reaktion
Verwendetes			(%)	bei 50⁰C
		Reaktion		4
	2H₂O	bei 7O⁰C		30
CuCl₂	6H₂O	12		15
FeCl₃ ·	6H₂O	58
AlCl₃ ·	42

Beispiel 11

Aus 1 Mol/l L-Glutaminsäure, 5 g/l AlCl₃-6H₂O und 3 ml/1 Brenztraubensäure wurden wäßrige Lösungen hergestellt, die durch Zugabe von Natriumhydroxyd bzw. Ammoniumhydroxyd auf den

pH-Wert 7 eingestellt und dann der Racemisierung unterzogen wurden, indem sie eine Zeitlang auf 80⁰C erhitzt wurden. Während dieser Reaktionsdauer wurde das Reaktionsgemisch in Zeitabständen analysiert, um den jeweils verbliebenen Anteil an Brenztraubensäure und die Menge der in dem Reaktionsgemisch gebildeten a-Ketoglutarsäure sowie auch den Drehungswinkel des Reaktionsgemisches zu bestimmen. An Hand der Daten der Analysen wurden der Grad

ίο der Racemisierung der L-Glutaminsäure, der Molprozentsatz der verbliebenen Brenztraubensäuremenge und der Molprozentsatz der vorhandenen a-Ketoglutarsäuremenge auf der Grundlage der ursprünglich in die wäßrigen Lösungen eingebrachten Menge an Brenztraubensäure errechnet. Die a-Ketoglutarsäuremenge bildete sich in dem Reaktionsgemisch infolge einer leichten Transaminierung zwischen der L-Glutaminsäure und der Brenztraubensäure.
Bei diesem Beispiel ist zu beachten, daß in der ersten Hälfte der Racemisierungsreaktion die Brenztraubensäure, in der zweiten Hälfte dagegen die gebildete a-Ketoglutarsäure als Katalysator wirkte.

Die erzielten Ergebnisse sind in der Tabelle 7 angeführt.

	I	Grad der Razemisierung der L-Glutamin säure (%)	)H-Einsteller: NaOH	Tabelle 7	Grad der ' Razemisierung der L-Glutamin säure (%)	pH-Einsteller: NH₄OH	Molprozent der vorhandenen a-Ketoglutar- säuremenge
	51	Molprozent der verbleibenden Brenztrauben säuremenge		63		62
Razemisierungs- dauer (in Sld.)	66	26	Molprozent der vorhandenen a-Ketoglutar- säuremenge	74		69
1	76	16	62	83		72
2	84	13	76	88		73
4	88	12	79	91		74
6	92	12	81	93		75
8	95	11	82	95		75
10		11	83
14	83		Molprozent der verbleibenden Brenztrauben säuremenge
			18
	11
9
9
9
9
8

Vergleichsbeispiel 1

In diesem Beispiel wurde die katalytische Wirkung der nach der Erfindung nicht verwendeten ß- und /-Ketocarbonsäuren für die Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure untersucht.

Das Verfahren nach Beispiel 4 wurde wiederholt, doch unter Verwendung von Natriumacetacetat, Methylacetacetat und Lävulinsäure an Stelle von a-Ketoglutarsäure.

In allen Fällen wurde beobachtet, daß die Verringerung des Drehungswinkels des Reaktionsgemisches nur bis zu 5% betrug. Dies bedeutet, daß die Racemisierungsreaktion nicht vollständig durchgeführt wurde.

Vergleichsbeispiel 2

In diesem Beispiel wurde die katalytische Wirkung von anderen Ketonen als die gemäß der Erfindung verwendeten a-Ketocarbonsäuren für die Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure untersucht. Das Verfahren nach Beispiel 4 wurde wiederholt, doch unter Verwendung von Acetylaceton, Benzoylaceton, Dibenzoylmethan, 4-Nitroacetylaceton, Trifluoracetylaceton, α-Pyrrolidon, Diacetonalkohol, Benzalaceton, Methylvinylketon, Diphenylketon, Acetophenon, Cyclohexanon, Methyläthylketon und Aceton an Stelle von α-Ketoglutarsäure. In allen Fällen wurde festgestellt, daß die Racemisierungsreaktion im wesentlichen nicht stattfand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Racemisierung von optisch aktiven Aminosäuren, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung einer optisch aktiven Aminosäure oder ihres wasserlöslichen Salzes oder Derivates mit einer a-Ketocarbonsäure oder deren wasserlöslichem Salz oder Derivat sowie mit einem Metallion erwärmt und das erhaltene Racemat nach an sich bekannten Methoden aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die a-Ketocarbonsäure oder ihr wasserlösliches Salz oder Derivat in einer Menge von 1 bis 40 Molprozent, bezogen auf die verwendete Menge der optisch aktiven Aminosäure oder ihres wasserlöslichen Salzes oder Derivates, verwendet wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Metallions in der Lösung 10 bis 100 Molprozent, bezogen auf die verwendete Menge der a-Ketocarbonsäure oder., ihres wasserlöslichen Salzes oder Derivats, beträgt.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete a-Ketocarbonsäure oder ihr wasserlösliches Salz oder Derivat eine derartige Struktur aufweist, daß die Aminogruppe in der zu racemisierenden optisch aktiven Aminosäure oder in deren wasserlöslichem Salz oder Derivat durch die Ketogruppe ersetzt wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der wäßrigen Lösung innerhalb eines Bereichs zwischen 3 und 10 gehalten wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallion ein Aluminium- oder ein Ferriion verwendet wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Racemisierung in Gegenwart eines wasserlöslichen Alkohols oder von Formamid durchgeführt wird.

8. Katalysatorsystem für die Racemisierung einer optisch aktiven Aminosäure, bestehend aus einer α-Ketocarbonsäure oder deren wasserlöslichem Salz oder Derivat und einem Metallion.